基于CAN总线的压力传感器设计

于云选，刘 慧，姜 晶

（中国电子科技集团公司第四十九研究所，哈尔滨 150001）

基于CAN总线的压力传感器设计

于云选，刘 慧，姜 晶

（中国电子科技集团公司第四十九研究所，哈尔滨 150001）

随着总线技术在传感器测量领域中的应用,直接输出数字信号的压力传感器己成为一大趋势。本文设计了以一种基于CAN总线的压力传感器，与传统的模拟量输出压力传感器相比，本传感器克服了在长距离传输过程中的信号衰减问题。同时，又有效地解决了通信距离短、数据传输速率慢、误码率高、可靠性差等问题。另外，利用卡尔曼滤波算法对传感器的输出进行平滑滤波，剔除较大噪声，提高传感器的稳定度。传感器的输出的准确度为：0.006 MPa；动态响应：≥25 Hz。

CAN总线；压力传感器；卡尔曼滤波

引言

在某些复杂的工况环境下，对传感器的安装、布线、信号传输速率、抗干扰性等都有较为严格的要求。本文所述压力传感器的应用现场情况比较复杂，传统工业通信大多采用RS-232、RS-485、20 mA电流环等通信方式，普遍存在通信距离短、数据传输速率慢、误码率高、可靠性差等问题。针对以上问题设计了采用CAN总线作为信号传输方式的压力传感器，CAN总线通信最高速率可达1 Mbps、传输速率为5 kbps时，采用双绞线，传输距离可达10 km，并且数据传输可靠性高，CAN总线是具有通信速率高、容易实现、且性价比高等诸多特点的一种已形成国际标准的现场总线。

1 传感器组成与测试原理

1.1 传感器组成

基于CAN总线的压力传感器对应一块调理电路板，与其压力敏感元件封装在一个壳体内，降低从电缆进入的电磁干扰。信号调理电路的作用主要包括：为供电电路、信号放大、滤波电路、单片机信号补偿、保护等，它直接决定着传感器的总体性能是否满足各项指标。当敏感元件感应到信号后，经放大电路对信号放大后由滤波电路对信号处理，而后经单片机进行数据采集和转换，最后输出相应的标准信号。传感器电路系统结构图如图1所示。

1.2 压力信号测量原理

传感器敏感元件，采用压阻式原理完成压力信号的拾取和测量。所谓压阻式原理是指在半导体材料在受到应力作用时，由于应力引起能带的变化，能谷的能量移动，使其电阻率发生变化的现象。本传感器的敏感芯体采用MEMS（Microelectromechanical Systems）工艺技术加工完成。在硅片构成的传感器芯体上腐蚀出一个由四个等值电阻所构成的惠斯通电桥，通过该电桥完成压力与电压值的转换。当未受应力作用时，电桥处于平衡状态；当受到应力作用时，电桥的平衡被打破，从而输出电压，该电压与受到应力大小成比例。

压阻效应所引起的电阻相对变化为：

式中：

ρ——半导体材料的电阻率；

∆ρ——受应力后的电阻率变化；

E——材料的弹性模量；

π——沿晶向L的压阻系数；

δ——沿晶向L的应力；

ε——沿晶向L的应变。

半导体材料的压阻效应是由于在外力作用下，原子点阵排列发生变化，即其晶格间距改变，禁带宽度变化，导致载流子迁移率及载流子浓度的变化，从而引起电阻率的变化。

图1 传感器电路系统结构图

2 CAN总线程序

2.1 CAN总线程序设计

在主程序中循环进行AD 采集、数字滤波、温度采集、压力计算程序。通过CAN 接收中断，接收主控制器命令进入相应的工作模式。在相应工作模式中使用对应时间基准中断由主控制器同步发送数据。程序流程框图如图2所示。

3 传感器补偿方法

压阻式压力传感器的主要技术指标包括非线性、零点输出、灵敏度以及温漂等，为了保证传感器的输出满足最终的使用要求，需要通过数学物理方法为传感器进行参数补偿。由于所设计的传感器是基于CAN总线输出的数字传感器，所以可以更好利传感器中的微处理器在其中通过软件算法完成传感器参数的补偿。具体方法为在规定的使用压力和温度工作范围内，采用最小二乘法分段拟合压力A/D值和温度A/D值，拟合原始的温度压力输出曲线，并通过卡尔曼滤波算法对传感器的输出进行平滑该曲线，剔除较大噪声，进一步提高传感器的稳定度。

卡尔曼滤波算法动态模型如下：

系统状态方程：

式中：

图2 程序结构图

X（k）——k时刻的系统状态；

A 、B——参数；

U（k）——k时刻对系统的控制量；

W（k）——高斯白噪声；

测量方程：

式中：

Z（k）——k 时刻的测量值；

H ——测量系统的参数；

V（k）——高斯白噪声。

温度补偿过程具体步骤如下：

1）经过多次标定，利用最小二乘法曲线拟合出在特定温度区间下的压力输出曲线。

2）读取温度A/D值，判断该值所在的温度区间，从而确定压力输出曲线。

3）读取压力A/D值，通过已经确定的压力输出曲线，得到实际压力值。

4）多次测量，利用卡尔曼滤波算法，计算出稳定的压力输出值并通过CAN总线输出。

4 实验数据 （见表1）

通过以上实验数据可以看出，通过采用卡尔曼滤波算法，有效地修正了传感器的准确度。使传感器的准确度有效地控制在0.006 MPa范围内，满足实际使用需求。

表1 传感器温度补偿实验结果

5 结论

本文设计了一种基于CAN总线输出的压力传感器，介绍了其硬件电路的系统组成，软件程序流程图，以及采用卡尔曼滤波算法对其进行数据补偿的方法。通过对实验数据的分析可以看出传感器测量的准确度可以达到0.006 Mpa，满足实际使用需求。

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Design of Pressure Sensor Based on CAN-bus

YU Yun-xuan, LIU Hui, JIANG Jing
(49th Research Institute, China Electronic Technology Group Corporation, Harbin 150001)

With the application of bus technology in the field of sensor measurement, direct output digital signal pressure sensor has become a major trend. In this paper, a kind of pressure sensor based on CAN bus is designed. Compared with the traditional analog output pressure sensor, the sensor overcomes the problem of signal attenuation in long distance transmission. Simultaneously, it also solves the problems of short communication distance, slow data transmission rate, high bit error rate and poor reliability. In addition, the Kalman filter is used to smooth the output of the sensor, eliminate large noise, and improve the stability of the sensor. The accuracy of the sensor output is 0.006 MPa, and dynamic response is ≥25 Hz.

CAN-bus; pressure sensor; Kalman filtering

TP212.1

A

1004-7204（2017）03-0052-03

于云选（1982-），男，本科，工程师，主要从事智能传感器及测量技术工作。